RU2017084C1

RU2017084C1 - Device for indication and visual observation of ir-range electromagnetic radiation

Info

Publication number: RU2017084C1
Authority: RU
Inventors: Н.И. Алешкевич; В.И. Кондратенко; Ю.Н. Крылов; В.В. Сытько
Original assignee: Гомельский государственный университет им.Франциска Скорины
Priority date: 1987-10-13
Filing date: 1987-10-13
Publication date: 1994-07-30

Abstract

FIELD: electro-optics. SUBSTANCE: photometric sphere is used as thermostating dish. Radiation to be indicated is incident onto the luminescent screen through the modulator and hole in photometric sphere. The screen is uniformly illuminated with source UV-radiation, being incident on wall of photometric sphere. Screen is illuminated with indicated radiation and UV-radiation at different periods of time due to application of two modulators with constant phase difference. Windows, provided with light filters are used for visual observing and photoelectric indication; the windows are transparent to radiation of luminescence of the screen only. When indicating super high frequency fields, the sphere and the coating, which dissipates radiation diffusively, are made of material being transparent to superhigh frequency oscillations. EFFECT: improved precision. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения плотности мощности и визуализации пространственного распределения мощности инфракрасного, миллиметрового, сверхвысокочастотного излучения. The invention relates to measuring technique and can be used to measure power density and visualize the spatial distribution of power of infrared, millimeter, microwave radiation.

Известен приемник для визуального наблюдения и регистрации электромагнитного излучения [1], содержащий люминесцентный экран и источник ультрафиолетового излучения для возбуждения люминесцентного экрана. Термочувствительный люминесцентный экран помещен в термозащитную кювету с окнами из прозрачной пленки, снабженную терморегулятором для поддержания заданной
температуры, обеспечивающей максимальный термографический эффект термочувствительного люминесцентного экрана. Регистрацию электромагнитного излучения инфракрасного, сверхвысокочастотного диапазона ведут путем визуального наблюдения, фотографирования или другой регистрации изменения интенсивности люминесценции термочувствительного люминесцентного экрана. Для количественной оценки проводят фотографирование и сравнение снимков
термочувствительного люминесцентного экрана, полученного для эталонного и исследуемого источников.A known receiver for visual observation and registration of electromagnetic radiation [1], containing a luminescent screen and a source of ultraviolet radiation to excite the luminescent screen. The heat-sensitive luminescent screen is placed in a heat-protective cuvette with windows made of transparent film, equipped with a temperature regulator to maintain a given
temperature, providing the maximum thermographic effect of a thermosensitive luminescent screen. The registration of electromagnetic radiation of the infrared, microwave range is carried out by visual observation, photographing or other registration of changes in the luminescence intensity of a heat-sensitive luminescent screen. For quantitative assessment, photographing and comparison of images are carried out.
heat-sensitive luminescent screen obtained for the reference and investigated sources.

Для такого приемника характерны недостаточная точность и низкий динамический диапазон измеряемой плотности мощности инфракрасного, сверхвысокочастотного излучения. Малый динамический диапазон измеряемой плотности мощности обусловлен
термическим характером воздействия регистрируемого излучения. Недостаточная точность количественных измерений обусловлена рядом причин: во-первых, количественные измерения предполагают фотографирование термочувствительного люминесцентного экрана с последующим фотографированием снимка. В то же время фотоматериалы имеют разброс фоточувствительности по поверхности. Во-вторых, термочувствительный люминесцентный экран характеризуется пространственной неоднородностью интенсивности люминесценции, т.е. количественные
измерения зависят от места нахождения фотоприемника. В-третьих, сложно обеспечивать равномерную засветку термочувствительного люминесцентного экрана ультрафиолетовым излучением, что обуславливает неоднородность его свечения по всей площади и соответственно вызывает ошибки при регистрации инфракрасного, сверхвысокочастотного излучения.Such a receiver is characterized by insufficient accuracy and a low dynamic range of the measured power density of infrared, microwave radiation. The small dynamic range of the measured power density is due to
the thermal nature of the effects of the detected radiation. The insufficient accuracy of quantitative measurements is due to a number of reasons: firstly, quantitative measurements involve photographing a heat-sensitive luminescent screen, followed by photographing the image. At the same time, photographic materials have a photosensitivity scatter over the surface. Secondly, the heat-sensitive luminescent screen is characterized by spatial inhomogeneity of the luminescence intensity, i.e. quantitative
measurements depend on the location of the photodetector. Thirdly, it is difficult to ensure uniform illumination of the heat-sensitive luminescent screen with ultraviolet radiation, which causes the heterogeneity of its glow over the entire area and, accordingly, causes errors in the registration of infrared, microwave radiation.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для регистрации инфракрасного излучения, содержащее оптически связанные источники ультрафиолетового излучения, прерыватель-ослабитель потоков регистрируемого и ультрафиолетового излучений, люминесцентный экран, установленный в термостатируемой кювете с окнами для ввода ультрафиолетового, регистрируемого излучения, визуального наблюдения и измерения интенсивности люминесценции, путем прерыватель-ослабитель потоков регистрируемого и ультрафиолетового излучений расположен перед окном для ввода регистрируемого излучения, люминесцентный экран и окно для ввода регистрируемого излучения расположены на одной оптической оси, источник ультрафиолетового излучения оптически связан через окно для ввода ультрафиолетового излучения с люминесцентным экраном. The closest in technical essence to the invention is a device for recording infrared radiation, containing optically coupled sources of ultraviolet radiation, an interrupter-attenuator for detected and ultraviolet radiation, a luminescent screen mounted in a thermostatic cuvette with windows for inputting ultraviolet, registered radiation, visual observation and measurement luminescence intensities, by means of a chopper-attenuator of detected and ultraviolet fluxes and radiations located in front of the window to enter the detected radiation, the luminescent screen and the window for entering the detected radiation are located on the same optical axis, a UV light source is optically coupled through a window to enter the ultraviolet radiation from the phosphor screen.

Недостатком этого устройства является низкая точность количественной оценки плотности мощности регистрируемого излучения, обусловленная позиционной чувствительностью используемых фотоприемников и связанная с неоднородностью индикатрисы люминесценции термочувствительного люминесцентного экрана, а также неоднородностью чувствительности фотоприемников по рабочей поверхности (фотоэмульсии, фотокатоды). Кроме того, при использовании в качестве источников ультрафиолетового излучения как лазеров, так и газоразрядных ламп и ламп накаливания сложно обеспечить равномерную засветку термочувствительного люминесцент- ного экрана по всей площади, что приводит к погрешности в измерении плотности мощности регистрируемого излучения и искажению при визуализации истинной картины пространственного распределения его мощности. Также оказывается невозможной визуализации двумерных распределе ний плотности мощности регистрируемых пучков, так как при вращении экрана картина смазывается и при ΔtωR≥ D, где Δ t - длительность регистрируемого импульса, ω - угловая скорость вращения; R - радиус вращательного экрана; D - диаметр входного окна, на экране происходит интегрирование распределения по одной из координат. Вследствие этого устройство не применимо для визуализации стационарных инфракрасных потоков, т.е. оно не обеспечивает требуемого качества наблюдения. Кроме того, такое устройство не может обеспечить точную регистрацию и визуализацию СВЧ-излучения. The disadvantage of this device is the low accuracy of the quantitative estimation of the power density of the detected radiation, due to the positional sensitivity of the photodetectors used and related to the heterogeneity of the luminescence indicatrix of the heat-sensitive luminescent screen, as well as the heterogeneity of the sensitivity of the photodetectors on the working surface (emulsions, photocathodes). In addition, when using both lasers and gas-discharge lamps and incandescent lamps as sources of ultraviolet radiation, it is difficult to ensure uniform illumination of the heat-sensitive luminescent screen over the entire area, which leads to an error in measuring the power density of the detected radiation and distortion in visualizing the true picture of the spatial distribution of its power. It also turns out to be impossible to visualize two-dimensional distributions of the power density of the detected beams, since when the screen rotates, the picture is also blurred at ΔtωR≥ D, where Δ t is the duration of the detected pulse, ω is the angular velocity of rotation; R is the radius of the rotational screen; D is the diameter of the input window; the distribution is integrated on one of the coordinates on the screen. As a result, the device is not applicable for the visualization of stationary infrared streams, i.e. it does not provide the required quality of observation. In addition, such a device cannot provide accurate registration and visualization of microwave radiation.

Цель изобретения - повышение точности регистрации и качества наблюдения. The purpose of the invention is improving the accuracy of registration and quality of observation.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для регистрации и визуального наблюдения электромагнитного излучения инфракрасного диапазона, содержащем оптически связанные источник ультрафиолетового излучения, прерыватель-ослабитель потоков регистрируемого и ультрафиолетового излучений, люминесцентный экран, установленный в термостатируемой кювете с окнами для ввода ультрафиолетового, регистрируемого излучения, визуального наблюдения и измерения интенсивности люминесценции, причем прерыватель-ослабитель потоков регистрируемого и ультрафиолетового излучений расположен перед окном для ввода регистрируемого излучения, люминесцентный экран и окно для ввода регистрируемого излучения расположены на одной оптической оси, источник ультрафиолетового излучения оптически связан через окно для ввода ультрафиолетового излучения с люминесцентным экраном, дополнительно введены второй прерыватель-ослабитель и фотоприемник для регистрации излучения люминесценции, а термостатируемая кювета выполнена в виде фотометрического шара с внутренним диффузно рассеивающим покрытием, при этом второй прерыватель-ослабитель расположен между источником ультрафиолетового излучения и окном для ввода ультрафиолетового излучения и оптически связан с ними, фотоприемник для регистрации люминесценции расположен в окне для регистрации люминесценции. This goal is achieved by the fact that in the device for recording and visual observation of electromagnetic radiation of the infrared range, containing optically coupled source of ultraviolet radiation, interrupter-attenuator of the detected and ultraviolet radiation fluxes, a luminescent screen installed in a thermostatic cuvette with windows for inputting ultraviolet, registered radiation, visual observation and measurement of luminescence intensity, moreover radiation and ultraviolet radiation is located in front of the window for inputting the detected radiation, the luminescent screen and the window for inputting the detected radiation are located on the same optical axis, the ultraviolet radiation source is optically connected through the window for inputting ultraviolet radiation with the luminescent screen, a second chopper-attenuator and a photodetector for registration of luminescence radiation, and a thermostatically controlled cuvette is made in the form of a photometric ball with an internal diffusely scatter a second interrupter-attenuator is located between the ultraviolet radiation source and the ultraviolet input window and is optically coupled to them, the photodetector for registering luminescence is located in the window for registering luminescence.

Кроме того, для расширения диапазона регистрируемых излучений на диапазон сверхвысоких частот фотометрический шар с окнами и диффузно-рассеивающее покрытие выполнены из материала прозрачного для сверхвысокочастотных колебаний. In addition, to expand the range of recorded radiation to the microwave range, the photometric ball with windows and the diffusely scattering coating are made of a material transparent to microwave frequencies.

На чертеже показана принципиальная схема устройства для регистрации инфракрасного сверхвысокочастотного излучения. The drawing shows a schematic diagram of a device for recording infrared microwave radiation.

Устройство представляет собой термостатируемую кювету, выполненную в виде фотометрического шара 1 с внутренним светорассеивающим покрытием, например из ВаSO₄ или MgO, и окошками 2,3,4 соответственно для люминесцентного экрана 5, ввода инфракрасного излучения и ультрафиолетового излучения от источника 6, а также окошками 7,8 соответственно для фотоприемника и визуального наблюдения люминесцентного экрана. В окошках 4,7 и 8 установлены светофильтры 9 и 10,11 для выделения ультрафиолетового излучения и излучения люминесценции. Кроме того, устройство содержит модуляторы 12,13 для модуляции потоков ультрафиолетового и регистрируемого излучения, образующие соответственно второй и первый прерыватели. Окошки 2 и 3, снабженные прерывателями-ослабителями потоков лучистой энергии, обеспечивающими возможность постоянной, импульсной одновременной и попеременной засветки регистрирующего экрана с различной длительностью и скважностью, расположены друг против друга по оси фотометрического шара, окошко 8 - под углом менее π стерадиан к оси фотометрического шара со стороны ввода регистрируемого излучения, окошки 4,7 - под углом более 3 π стерадиан к оси фотометрического шара со стороны ввода регистрируемого излучения.The device is a thermostatic cuvette made in the form of a photometric ball 1 with an internal light-scattering coating, for example, of BaSO ₄ or MgO, and windows 2,3,4, respectively, for the luminescent screen 5, the input of infrared radiation and ultraviolet radiation from source 6, as well as windows 7.8 respectively for a photodetector and visual observation of a luminescent screen. Filters 9 and 10.11 are installed in windows 4.7 and 8 to isolate ultraviolet radiation and luminescence radiation. In addition, the device contains modulators 12,13 for modulating the fluxes of ultraviolet and detected radiation, forming respectively the second and first choppers. Windows 2 and 3, equipped with interruptors-attenuators of the fluxes of radiant energy, providing the possibility of constant, pulsed simultaneous and alternating illumination of the recording screen with different duration and duty cycle, are located opposite each other along the axis of the photometric ball, window 8 - at an angle less than π steradian to the axis of the photometric ball from the input side of the detected radiation, windows 4.7 - at an angle of more than 3 π steradian to the axis of the photometric ball from the input side of the detected radiation.

Устройство позволяет работать с термочувствительным люминесцентным экраном, основанным как на эффекте высвечивания запасения светосуммы при термовоздействии, так и на эффекте термотушенимя люминесценции. The device allows you to work with a heat-sensitive luminescent screen, based both on the effect of highlighting the storage of light sum during thermal exposure, and on the effect of thermal quenching of luminescence.

В случае применения термочувствительного люминесцентного экрана на эффекте высвечивания запасенной светосуммы предлагаемое устройство работает следующим образом. Модуляторы 12 и 13 находятся в противофазе таким образом, что регистрируемое излучение перекрыто, а ультрафиолетовое излучение падает на диффузно-рассеивающее покрытие фотометрического шара, где рассеивается и равномерно освещается термочувствительный люминесцентный экран 5, обуславливая равномерное по площади термо- чувствительного люминесцентного экрана запасение светосуммы. В последующем цикле модуляторы 12 и 13 находятся в фазе, когда перекрыт ультрафиолетовый поток, а регистрируемое излучение падает на термочувствительный люминесцентный экран, приводя к высвечиванию запасенной светосуммы. Люминесцентное излучение, попадая на внутреннее покрытие фотометрического шара, рассеивается и равномерно засвечивает окошко 10 для фотоприемника, что позволяет точно регистрировать интенсивность люминесцентного излучения независимо от индикатрисы люминесценции и неоднородности фоточувствительности фотокатода используемого приемника. Визуальное наблюдение и фотографическая либо телевизионная регистрации пространственного распределения плотности мощности инфракрасного сверхвысокочастотного излучения осуществляются через окошко 8. In the case of using a heat-sensitive luminescent screen on the effect of highlighting the stored light sum, the proposed device operates as follows. Modulators 12 and 13 are in antiphase so that the detected radiation is blocked, and ultraviolet radiation is incident on the diffuse-scattering coating of the photometric ball, where the heat-sensitive luminescent screen 5 is scattered and evenly illuminated, causing the light sum to be uniform in area of the heat-sensitive luminescent screen. In the next cycle, the modulators 12 and 13 are in the phase when the ultraviolet flux is blocked, and the detected radiation falls on the heat-sensitive luminescent screen, leading to the highlighted light sum accumulated. The luminescent radiation, incident on the inner coating of the photometric ball, is scattered and uniformly illuminates the window 10 for the photodetector, which makes it possible to accurately record the luminescence intensity irrespective of the luminescence indicatrix and the photosensitivity of the photocathode of the receiver used. Visual observation and photographic or television recording of the spatial distribution of the power density of infrared microwave radiation is carried out through the window 8.

В случае применения термочувствительного люминесцентного экрана на эффекте термотушения люминесценции, предлагаемое устройство работает следующим образом. In the case of using a heat-sensitive luminescent screen on the effect of thermal quenching of luminescence, the proposed device operates as follows.

В случае, когда оба модулятора отключены и выставлены в режим "пропускание", ультрафиолетовое излучение возбуждает люминесценцию термочувствительного люминесцентного экрана, а инфракрасное сверхвысокочастотное излучение нагревает термочувствительный люминесцентный экран и обуславливает тушение люминесценции. Измерения проводят по относительному изменению интенсивности люминесценции термочувствительного люминесцентного экрана. In the case when both modulators are turned off and set to "pass" mode, ultraviolet radiation excites luminescence of a heat-sensitive luminescent screen, and infrared microwave radiation heats a heat-sensitive luminescent screen and causes luminescence quenching. The measurements are carried out by the relative change in the luminescence intensity of the heat-sensitive luminescent screen.

Когда модулятор 12 выключен и выставлен на "пропускание", а модулятор 13 включен, энергия регистрируемого инфракрасного сверхвысокочастотного потока уменьшается, что позволяет расширить динамический диапазон мощности измеряемого потока, который определяется скважностью импульсов. When the modulator 12 is turned off and set to “pass”, and the modulator 13 is turned on, the energy of the detected infrared microwave stream decreases, which allows you to expand the dynamic range of the power of the measured stream, which is determined by the duty cycle of the pulses.

В области сверхвысоких частот непосредственное применение предлагаемого устройства для визуализации и измерения распределения плотности мощности не представляется возможным, так как при увеличении длины волны λ исследуемого излучения до величины, сравнимой с апертурой входного окна d вклад дифрагировавшего на апертуре излучения в распределении плотности мощности на регистрирующем экране становится все более ощутимым, искажая картину, и при λ > d и апертуру можно считать изотропным излучателем вне зависимости от реального распределения плотности мощности в исследуемом электромагнитном поле. Это приводит к полной потере информации о распределении плотности мощности. Путем преодоления данного затруднения устраняется апертурные ограничения входного окна, что достигается изготовлением интегрирующей сферы и ее внутреннего диффузного покрытия из материалов, прозрачных в исследуемом диапазоне частот. In the microwave region, the direct application of the proposed device for visualizing and measuring the distribution of power density is not possible, since with increasing wavelength λ of the investigated radiation to a value comparable to the aperture of the input window d, the contribution of radiation diffracted at the aperture in the power density distribution on the recording screen becomes all the more tangible, distorting the picture, and for λ> d and the aperture can be considered an isotropic emitter regardless of the real distribution tions of power density in the test electromagnetic field. This leads to a complete loss of information about the distribution of power density. By overcoming this difficulty, the aperture limitations of the input window are eliminated, which is achieved by manufacturing the integrating sphere and its internal diffuse coating from materials transparent in the frequency range under study.

Claims

1. DEVICE FOR REGISTRATION AND VISUAL OBSERVATION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION OF THE INFRARED RANGE, containing optically coupled sources of ultraviolet radiation, an interrupter-attenuator of detected and ultraviolet radiation fluxes, a luminescent screen installed in a thermostatically controlled observation window and a radiation measurement window luminescence, moreover, the interrupter-attenuator of the recorded and ultraviolet radiation fluxes is located in front of the window for inputting the detected radiation, the luminescent screen and the window for entering the detected radiation are located on the same optical axis, the ultraviolet radiation source is optically connected through the window for inputting the ultraviolet radiation with the luminescent screen, characterized in that, in order to improve the accuracy of registration and the quality of observation , the device further comprises a second chopper-attenuator and a photodetector for detecting luminescence radiation, and a thermostatically controlled cell is made in de integrating sphere with an internal diffusely scattering surface, and wherein the second chopper-attenuator located between the ultraviolet radiation source and the input window for ultraviolet radiation and optically coupled with them, a photodetector for registering the luminescence situated in the window for registering the luminescence.

2. The device according to claim 1, characterized in that, in order to expand the range of recorded radiation to a range of microwave frequencies, a photometric ball with windows and a diffusely scattering coating is made of a material transparent to microwave waves.